Potentiels liées aux événements somato-sensorielles de la peau Orofacial stretch Stimulation

This paper introduces a method for obtaining somatosensory event-related potentials following orofacial skin stretch stimulation. The current method can be used to evaluate the contribution of somatosensory afferents to both speech production and speech perception.

Cortical processing associated with orofacial somatosensory function in speech has received limited experimental attention due to the difficulty of providing precise and controlled stimulation. This article introduces a technique for recording somatosensory event-related potentials (ERP) that uses a novel mechanical stimulation method involving skin deformation using a robotic device. Controlled deformation of the facial skin is used to modulate kinesthetic inputs through excitation of cutaneous mechanoreceptors. By combining somatosensory stimulation with electroencephalographic recording, somatosensory evoked responses can be successfully measured at the level of the cortex. Somatosensory stimulation can be combined with the stimulation of other sensory modalities to assess multisensory interactions. For speech, orofacial stimulation is combined with speech sound stimulation to assess the contribution of multi-sensory processing including the effects of timing differences. The ability to precisely control orofacial somatosensory stimulation during speech perception and speech production with ERP recording is an important tool that provides new insight into the neural organization and neural representations for speech.

La production de la parole dépend à la fois de l'information auditive et somatosensoriel. La auditif et somatosensoriel rétroaction se produisent en combinaison dès les premières vocalisations produites par un enfant et les deux sont impliqués dans l'apprentissage moteur de la parole. Des résultats récents suggèrent que les processus somato-sensorielles contribuent à la perception ainsi que la production. Par exemple, l'identification des sons de la parole est modifiée lorsque un dispositif robotique étire la peau du visage en tant que participants écoutent à des stimuli auditifs ^1. Bouffées d'air à la joue qui coïncident avec des stimuli de la parole auditifs modifient ² jugements de perception des participants.

Ces effets somato impliquent l'activation des mécanorécepteurs cutanés en réponse à la déformation de la peau. La peau est déformé de diverses manières pendant le mouvement, et mécanorécepteurs cutanés sont connus pour contribuer à kinesthésique sens ^3,4. Le rôle kinesthésique des mécanorécepteurs cutanés est démontré par les résultats récents ^5-7 que les souches relatives aux mouvements peau sont correctement perçues comme flexion ou motion prolongation en fonction du motif de l'étirement de la peau ^6. Au cours de la formation de moteur de la parole, qui est la répétition d'énoncé de parole spécifique avec la parole d'étirement de la peau du visage concomitante, modèles articulatoires changent de manière adaptative ^7. Ces études indiquent que la modulation étirement de la peau au cours de l'action fournit une méthode pour évaluer la contribution des afférences cutanées à la fonction kinesthésique du système sensori-moteur.

La fonction kinesthésique des mécanorécepteurs cutanés orofaciaux a été étudiée principalement en utilisant des méthodes psychophysiologiques ^7,8 et microélectrodes recodage des nerfs sensoriels ^9,10. Ici, le protocole actuel se concentre sur la combinaison de la stimulation somatosensoriel oro-faciale associée à la déformation de la peau du visage et événement lié (ERP) d'enregistrement potentiel. Thest la procédure expérimentale a le contrôle précis de la direction et le calendrier de la déformation du visage de la peau en utilisant un dispositif robotique contrôlée par ordinateur. Cela nous permet de tester des hypothèses spécifiques au sujet de la contribution somatosensoriel à la production de la parole et de la perception par sélectivement et précisément déformer la peau du visage dans un large éventail d'orientations à la fois pendant l'apprentissage moteur de la parole et directement dans la production de la parole et de la perception. Enregistrement ERP sont utilisés pour évaluer de manière non invasive la structure temporelle et le calendrier de l'influence de la stimulation somatosensoriel sur les comportements orofaciaux. Le protocole actuel peut alors évaluer les corrélats neuraux de la fonction kinesthésique et d'évaluer la contribution du système somatosensoriel à la fois le traitement de la parole, la production de la parole et de perception de la parole.

Pour montrer l'utilité de l'application de la stimulation d'étirement de la peau à l'enregistrement de l'ERP, le protocole suivant se concentre sur l'interaction de somatosensoriel et entrée auditive dans le discours pa perception. Les résultats mettent en évidence une méthode pour évaluer le potentiel d'interaction somatosensoriel-auditif dans le discours.

Le protocole expérimental actuel suit les lignes directrices en matière d'éthique, selon le Comité d'enquête humaine Université de Yale.

1. Electroenchephalopgaphy (EEG) Préparation

1. Mesurer la taille de la tête pour déterminer le bouchon EEG appropriée.
2. Identifier l'emplacement du sommet en trouvant le point médian entre nasion et inion avec un ruban à mesurer.
3. Placez le capuchon sur la tête EEG utilisant le sommet pré-déterminé que Cz. Examinez Cz à nouveau après avoir placé le bouchon en utilisant un ruban à mesurer que fait en 1.2. Notez que le bouchon EEG est équipé de porte-électrodes et le placement des électrodes 64 (ou les détenteurs) est basé sur un système 10-20 modifié avec système de coordonnées pré-spécifiée sur la base Cz ^11.
   Remarque: Cette application utilise une configuration représentant 64 de l'électrode pour évaluer les changements de distribution du cuir chevelu et pour l'analyse de la source. Pour les applications plus simples (changements potentiels liés à l'événement de l'amplitude et la latence) using moins d'électrodes sont possibles. Il y a deux électrodes de masse supplémentaires dans le système EEG utilisée ici. Ces porte-électrodes sont également inclus dans le capuchon.
4. Appliquer le gel d'électrode dans les porte-électrodes à l'aide d'une seringue jetable.
5. Fixez électrodes EEG (y compris les électrodes de masse) dans les électrodes détenteurs correspondant aux étiquettes des électrodes et les porteurs d'électrodes sur le capuchon de l'électrode.
6. Nettoyer la surface de la peau avec des tampons d'alcool.
   Remarque: Pour les électrodes pour détecter le mouvement des yeux (électro-oculographie), les emplacements de la peau sont au-dessus et au-dessous de l'oeil droit (de mouvement oculaire vertical), et en dehors de la canthus externe des yeux les deux (de mouvement oculaire horizontal); pour la stimulation somatosensoriel latéral de la peau à l'angle orale est nettoyé.
7. Remplissez les quatre électrodes électro-oculographie avec le gel de l'électrode et de sécuriser les électrodes avec du ruban adhésif double-face sur les sites mentionnés au point 1.6.
8. Fixez tous les câbles d'électrode en utilisant une bande Velcro. Si rbligatoire, CASSETTE les câbles au corps de participant ou les autres endroits qui ne sont pas d'introduire de bruit électrique ou mécanique supplémentaire.
9. Placez le participant en face de l'écran et le robot pour la stimulation somatosensoriel. Fixer tous les câbles d'électrodes à nouveau comme en 1.8.
10. Branchez l'EEG et des électrodes électro-oculographie (y compris les électrodes de masse) dans les connecteurs appropriés (étiquette correspondante et la forme de connecteur) sur la boîte de l'amplificateur du système EEG.
11. Vérifiez que les signaux EEG sont sans artefacts et que la valeur de décalage est dans une fourchette acceptable (<50 mV ou plus petit). Si les signaux bruyants ou de grands décalages qui sont généralement indicatif de haute impédance sont trouvés, corriger ces signaux d'électrode en ajoutant gel de EEG supplémentaires et / ou le repositionnement de cheveux qui est directement sous l'électrode.
12. Insérez les écouteurs EEG-compatibles et de confirmer que le niveau sonore est dans une gamme confortable fondé sur le rapport de l'objet.

Remarque: Le protocole actuel applique visage étirement de la peau dans le but de stimulation somatosensoriel. Le montage expérimental avec le système EEG est représenté sur la figure 1. Les détails du dispositif de stimulation somato-sensoriel ont été décrits dans les études précédentes ^1,7,12-14. En bref, deux petites languettes en plastique (2 cm de large et 3 cm de hauteur) sont attachés avec du ruban adhésif double face pour la peau du visage. Les onglets sont connectés au dispositif robotique avec de la ficelle. Le robot génère systématiques charges d'étirement de la peau selon les modèles expérimentaux. Le protocole de configuration pour l'enregistrement ERP est la suivante:

1. Placez la tête du participant à l'appui-tête afin de minimiser les mouvements de la tête lors de la stimulation. Retirez soigneusement les câbles d'électrode entre la tête et l'appui-tête du participant.
2. Demandez au participant de maintenir l'interrupteur de sécurité pour le robot.
3. Fixez languettes en plastique àl'emplacement de la peau cible en utilisant un adhésif double face pour la stimulation somatosensoriel. Pour les résultats les représentant ^12,13, dans lequel la cible est le latéral de la peau à l'angle orale, placer le centre des onglets sur le modiolus, quelques mm latéralement à l'angle orale avec le centre des languettes à environ la même hauteur de l'angle orale.
4. Ajuster la configuration de la chaîne, des supports de chaîne et le robot afin d'éviter des électrodes EEG et des câbles.
5. Appliquez quelques tronçons de la peau du visage (sinusoïde un cycle à 3 Hz avec une force maximale de 4 N) pour vérifier les artefacts dus à la stimulation (généralement observé que relativement grande amplitude et de fréquence inférieure par rapport à la réponse électrophysiologique). Si les artefacts sont observées dans les signaux EEG, revenir à 2,4.

3. ERP Enregistrement

1. Expliquer la tâche expérimentale du sujet et fournir des essais pratiques (un bloc = 10 essais ou moins) pour confirmer si le sujet understands clairement la tâche.
   Note: La tâche expérimentale et la présentation du stimulus pour l'enregistrement ERP sont préprogrammée dans les logiciels pour la présentation du stimulus.
   1. Dans le test représentatif avec somatosensoriel combinée stimulation auditive et ^12, appliquer la stimulation somatosensoriel associée à la déformation de la peau à la partie latérale de la peau à l'angle orale. Le motif d'étirement est une sinusoïde un cycle (3 Hz) avec une force maximale de 4 N. Un seul d'énoncé de parole synthétisée qui est à mi-chemin dans un continuum sonore en 10 étapes entre la "tête" et "avait" est utilisée pour la stimulation auditive.
   2. Présenter deux stimulations séparément ou en combinaison. Dans la stimulation combinée, trois essais timings apparition (90 ms de plomb et de lag, et simultanées en somato-sensorielles et auditives onsets: voir la figure 3A).
   3. Aléatoire la présentation de cinq stimulations (somatosensoriel seul, auditif seul et trois combinés:. Plomb, Simult et lag). Variez l'intervalle entre les essais entre 1000 et 2000 msec afin d'éviter l'anticipation et l'accoutumance. La tâche expérimentale est de déterminer si le son de discours présenté, qui est le son qui est acoustiquement intermédiaire entre «tête» et «eu», était «tête» en appuyant sur ​​une touche sur un clavier. Dans la seule condition somatosensoriel, dans lequel il a pas de stimulation auditive, les participants sont priés de répondre à pas "la tête".
   4. Jugements de participants record et le temps de réaction du début du stimulus à la presse clé en utilisant le logiciel pour la présentation du stimulus. Demandez au participant de contempler un point sur l'écran d'affichage de fixation, afin de réduire les artefacts dus à des mouvements oculaires.
   5. Retirez le point de fixation tous les 10 stimulations pour une courte pause. (Voir aussi autre exemple de tâche et relance présentation ^12,13)
2. Démarrez le logiciel pour l'enregistrement ERP à 512 Hzéchantillonnage, qui enregistre également le temps début de la stimulation dans la chronologie des données de l'ERP. On notera que les horodatages de la stimulation, qui comprend également des informations sur le type de la stimulation, sont envoyés pour chaque stimulus de logiciel pour la présentation du stimulus. Les deux programmes (pour l'enregistrement de l'ERP et pour la présentation de relance) sont en cours d'exécution sur deux PC distincts qui sont connectés via un port parallèle.
3. Régler le logiciel pour la stimulation somatosensoriel à mode de déclenchement en attente et ensuite commencer la présentation du stimulus en activant le logiciel de présentation du stimulus. Notez que le logiciel pour la stimulation somatosensoriel est également exécuté sur un ordinateur distinct des deux autres ordinateurs. Enregistrez 100 ERPs par condition.
   Remarque: un signal de déclenchement pour la stimulation somatosensoriel est reçu à travers un dispositif d'entrée analogique qui est connecté à un dispositif de sortie numérique à l'ordinateur de stimulation sensorielle. Stimulation somatosensoriel unique est produit par un déclencheur.

Cette section présente les potentiels liées aux événements représentatifs en réponse à la stimulation somatosensoriel résultant de la déformation de la peau du visage. Le montage expérimental est représenté sur la figure 1. Stimulation sinusoïdale a été appliquée sur la peau du visage latéral à l'angle orale (voir la figure 3A comme référence). Cent essais extensibles ont été enregistrés pour chaque participant avec 12 participants testés au total. Après avoir enlevé les essais avec clignote et artefacts de mouvement des yeux déconnecté sur la base des signaux électro-oculographie horizontales et verticales (plus de ± 150 mV), plus de 85% des essais ont été en moyenne. Signaux EEG ont été filtrés avec un filtre passe-bande 0,5-50 Hz et re-référencée à la moyenne dans toutes les électrodes. La figure 2 montre l'ERP moyenne somatosensoriel d'électrodes représentatifs sélectionnés. Dans les régions frontales, des potentiels négatifs de pointe ont été induits à 100-200 po msstimulus st apparition suivis par un potentiel positif à 200-300 ms. La réponse la plus grande a été observée dans les électrodes de la ligne médiane. Différent des études antérieures de somatosensoriel ERP ^15-18, il n'y a pas de latence plus tôt (<100 ms) potentiels. Ce modèle temporel est assez similaire à la séquence typique N1-P2 après stimulation auditive ^19. Par comparaison entre la paire d'électrodes correspondant à l'hémisphère gauche et à droite, le motif temporel est assez similaire probablement en raison de la stimulation bilatérale.

Figure 1. Dispositif expérimental. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. potentiels d'événements liés à la figure deréponse à la stimulation somatosensoriel produite par étirement de la peau du visage. Les ERP ont été obtenus à partir d'électrodes représentatives. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Le premier résultat montre comment le calendrier de la stimulation affecte l'interaction multisensorielle lors de traitement de la parole ^12. Dans cette étude, les interactions neurones de réponse ont été trouvés en comparant ERP obtenus en utilisant des paires de stimulus auditif-somesthésiques avec la somme algébrique des ERP aux stimuli présentés séparément unisensory. Le motif de stimulations auditives-somatosensoriel sont représentées sur la figure 3A. Figure 3B montre le motif de potentiels liés à l'événement en réponse à des paires de relance somato-auditif (ligne rouge). Les représen au trait en noirts la somme des ERP auditif et somatosensoriel unisensory individuels. Les trois panneaux correspondent au laps de temps entre deux onsets de relance: 90 msec plomb de l'apparition somatosensoriel (gauche), simultanée (Centre) et 90 ms retard (à droite). Lorsque la stimulation somatosensoriel a été présenté 90 ms avant le début auditif, il ya une différence entre les réponses appariées et sommés (le panneau de gauche de la figure 3B). Cet effet d'interaction diminue progressivement en fonction du décalage entre la somatosensoriel et entrées auditives (voir le changement entre les deux lignes en pointillés dans la figure 3B). Les résultats démontrent que l'interaction somatosensoriel-auditif est dynamiquement modifiée avec le moment de la stimulation.

3. potentiels liés à l'événement-Figure reflètent une intera somatosensoriel-auditifction dans le contexte de la perception de la parole. Cette figure a été modifié depuis Ito, et al. ¹² (A) structure temporelle des stimulations auditives et somatosensoriel. Potentiels liés à l'événement (B) pour somatosensoriel combinée et la stimulation auditive dans trois conditions de synchronisation (plomb, simultanée, et lag) à électrode Pz. Réponses aux ERP appariés La ligne rouge représente enregistré. La ligne pointillée représente la somme des somatosensoriel et ERP auditif. Les lignes verticales en pointillés définissent un intervalle 160-220 ms après somatosensoriel apparition dans laquelle les différences entre "paire" et les réponses "somme" sont évalués. Les flèches représentent apparition auditif. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Le résultat suivant démontre que l'amplitude de l'aug ERP somatosensorielSES en réponse à l'écoute de la parole ^13. Le motif de la stimulation somatosensoriel est le même que ci-dessus. La figure 4 montre ERP somatosensoriels, qui sont convertis dans le cuir chevelu densité de courant ²⁰ dans l'analyse hors ligne, à électrodes (FC3, FC5, C3) sur la région sensorimotrice gauche. Potentiels liées aux événements somatosensoriel ont été enregistrées alors que les participants écoutent la parole en présence de bruits de fond continu. L'étude a testé quatre conditions de fond: la parole, des sons non vocaux, rose-bruit et silencieux ^13. Les résultats indiquent l'amplitude des potentiels liées aux événements somatosensoriel pendant l'écoute de sons de la parole était significativement plus grande que les trois autres conditions. Il n'y avait pas de différence significative en amplitude pour les trois autres conditions. La figure 4B montre les amplitudes des pics normalisées dans les différentes conditions. Le résultat indique que l'écoute de sons de la parole modifie l'asso de traitement somatosensoriel ATED avec une déformation du visage de la peau.

Figure 4. Amélioration des potentiels liées aux événements somatosensoriel dues aux sons de la parole. Les ERP ont été enregistrés dans quatre conditions de bruit de fond (Silent, bruit rose, la parole et non vocal). Cette figure a été modifié depuis Ito, et al. ¹³ (A) modèle temporel des potentiels liées aux événements somatosensoriel dans la zone au-dessus du moteur gauche et le cortex prémoteur. Chaque couleur correspond à une condition de fond de son différent. Les ERP ont été convertis en scalper densité de courant ^20. (B) différences de grandeurs z-score associé avec le premier pic de la somatosensoriel ERP. Les barres d'erreur sont les erreurs standard pour tous les participants. Chaque couleur correspond à différentes conditions de bruit de fond, comme dans la partie A.com / files / ftp_upload / 53621 / 53621fig4large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Les études rapportées ici fournissent la preuve que la stimulation somatosensoriel contrôlée avec précision qui est produite par la déformation de la peau induit visage ERP corticales. Afférences cutanées sont connus comme une riche source d'information kinesthésique ^3,4 dans les mouvements des membres et de la parole humaine ^5,6 mouvement ^7,8,21. L'étirement de la peau du visage d'une manière qui reflète la direction de mouvement réel pendant parler induit un sens kinesthésique semblable au mouvement correspondant. La méthode actuelle combinant des enregistrements d'étirement de la peau et ERP précisément contrôlées peut être utilisée pour étudier les bases neurales de la fonction oro-facial lors d'un large éventail de comportements de la parole.

Utilisation de la stimulation mécanique et l'enregistrement EEG simultanée, il est important de surveiller les signaux en cours d'artefact. En particulier, depuis les cordes utilisées pour étirer la peau sont situés à proximité des électrodes EEG et des câbles, il ya la possibilité d'électriqueet al artefacts de mouvement étant induit dans les signaux EEG. Cet artefact peut être distinguée en raison de relativement grande amplitude et de fréquence plus basse par rapport à la réponse électrophysiologique. Avant l'enregistrement, la configuration de stimulation y compris la configuration de la chaîne doit être soigneusement vérifié pour identifier et éliminer les artefacts mécanique due à la stimulation. Bien que des artefacts peuvent être éliminés par un post-traitement du signal, telles que la filtration ou l'analyse en composantes indépendantes ²² similaire au mouvement des yeux et clignotement, des signaux propres sont toujours plus souhaitable.

Les études précédentes de potentiels liées aux événements somatosensoriel ont surtout utilisé brefs stimuli somatosensoriels qui ont été produites en utilisant ²³ mécanique, ^électrique 18 ou au laser stimulation nociceptive ^15. Entrées somatosensoriel découlant de ces types de stimulation ne sont pas associées à un mouvement articulatoire notamment dans le discours, et par conséquent, ils peuvent ne pas êtreadapté pour enquêter traitement cortical lié à la parole. Möttönen, et al. ¹⁷ avait échoué à montrer un changement des potentiels somatosensoriels magnetoenchalographic utilisant lèvre simple tapant pendant l'écoute de sons de la parole. En revanche, la déformation de la peau du visage fournit entrée kinesthésique similaire à celle qui se produit en conjonction avec le mouvement discours articulatoire ^{21 et} sensori adaptation ^7. Ces stimuli interagissent également avec les discours traitement perceptif ^1,14. L'ERP somatosensoriel de l'actuelle perturbation d'étirement de la peau est plus approprié pour l'enquête de traitement cortical lié à la parole que les autres méthodes actuellement disponibles pour la stimulation somatosensoriel. Plusieurs des caractéristiques différentes ont été trouvées entre le courant de stimulation d'étirement de la peau et les méthodes précédentes. Une enquête plus approfondie, y compris l'emplacement de la source est nécessaire.

Bien que la déformation de la peau du visage se produit to degrés différents au cours de la parole mouvement ^{8, le} latéral de la peau à l'angle orale est densément innervée avec mécanorécepteurs cutanés ^10,24 et peut être principalement responsable de la détection de l'étirement de la peau pendant le discours. La peau sur les coins de la bouche peut être particulièrement important pour le contrôle moteur de la parole et de l'apprentissage moteur de la parole. L'approche actuelle est quelque peu limitée, car l'étirement de la peau ne peut être fait dans une direction et à un endroit par session EEG. Utilisant une déformation plus complexes de la peau et de l'évaluation des directions multiples et / ou des emplacements multiples dans une session EEG fournira un éclairage supplémentaire sur le rôle spécifique de somatosensorielle dans le traitement de la parole.

Il ya des intérêts de longue date dans les études de communication de la parole concernant la nature des représentations et de la transformation de la production de la parole et de la perception ^25-27. La découverte des neurones miroirs ^28,29 renforcé l'idée que le plaisir de moteurctions sont impliqués dans la perception de la parole. L'implication du système moteur (ou le moteur et le cortex prémoteur) a également été étudié ^30-35 dans la perception des sons de la parole. Néanmoins, le lien entre la production de la parole et de la perception est encore mal comprise. Exploration de possibles influences somatosensoriel sur la perception de la parole peut nous aider à comprendre les bases neurales de la perception de la parole et de la production, et si elles se chevauchent ou un lien. La technique actuelle pour moduler la fonction somatosensoriel a fourni un nouvel outil pour étudier cet important domaine d'enquête. La technique actuelle présente l'avantage supplémentaire qu'il peut être utilisé dans les études de la fonction somatosensoriel et, plus généralement, son interaction avec d'autres modalités sensorielles dans le traitement neuronal.

The authors have nothing to disclose.

Ce travail a été soutenu par l'Institut national sur la surdité et d'autres troubles de la communication subventions R21DC013915 et R01DC012502, les sciences naturelles et en génie du Canada et le Conseil européen de la recherche en vertu de septième programme-cadre de la Communauté européenne (FP7 / 2007-2013 Accord de Don pas 339152. ).